吳 祥，張宏偉，宋棋龍，蘇 棟，4，5

（1、中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司 鄭州 450001；2、中電建南方建設(shè)投資有限公司 廣東深圳 518052；3、深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院 深圳 518060；4、濱海城市韌性基礎(chǔ)設(shè)施教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（深圳大學(xué)）深圳 518060；5、深圳市地鐵地下車站綠色高效智能建造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 深圳 518060）

0 引言

近年來，矩形、類矩形隧道在國(guó)內(nèi)逐漸開始推廣應(yīng)用［1-3］。矩形頂管因具有斷面利用率高、施工擾動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，在城市地下工程建設(shè)中應(yīng)用越來越多，且斷面面積有不斷增大的趨勢(shì)。但對(duì)于大斷面頂管工程，維持開挖面穩(wěn)定性的難度增加，這給施工安全帶來了較大挑戰(zhàn)［4］。許多學(xué)者針對(duì)矩形頂管開挖面穩(wěn)定性問題開展了研究，如黃德中等人［1］采用小應(yīng)變硬化（HSS）模型，建立寧波地鐵3 號(hào)線矩形頂管試驗(yàn)段工程的數(shù)值模型，考慮埋深與支撐荷載等因素，對(duì)施工過程的開挖面變形進(jìn)行了分析；許有俊等人［5］采用數(shù)值模擬與理論分析，研究砂礫石地層大斷面矩形頂管開挖面的穩(wěn)定性，并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析；丁萬濤等人［6］依托濟(jì)南地鐵R1號(hào)線大楊莊站的隧道工程，采用有限元軟件建立大直徑頂管施工的數(shù)值模型，并將數(shù)值結(jié)果與地表監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證；丁家浩等人［7］基于極限分析上限定理，建立了大斷面矩形頂管隧道開挖面穩(wěn)定性的三維極限分析方法，最后結(jié)合工程實(shí)例開展了模型可靠性驗(yàn)證。然而，目前的研究主要集中于單洞大斷面矩形頂管的開挖面穩(wěn)定性，對(duì)于多洞組合頂管的分洞方式和施工順序?qū)﹂_挖面穩(wěn)定性的影響研究甚少。

本文以深圳某地鐵站頂管工程為背景，采用三維有限元方法研究了大斷面多洞組合頂管開挖面的主被動(dòng)破壞形式，重點(diǎn)研究了分洞方式和施工順序?qū)﹂_挖面穩(wěn)定性及極限支護(hù)應(yīng)力的影響規(guī)律，得出不同工況下的支護(hù)應(yīng)力控制范圍，為實(shí)際工程提供有益參考。

1 工程背景

深圳某地鐵頂管工程第3 個(gè)車站，位于帝堂路與沙井路交叉路口，沿規(guī)劃沙井路方向布置，車站周邊主要為密集的城中村。本站為地下二層島式車站，車站總長(zhǎng)240 m，有效站臺(tái)寬度12.6 m，車站結(jié)構(gòu)埋深20.61 m。根據(jù)地勘資料顯示，場(chǎng)地范圍內(nèi)自上而下揭露地層依次為：人工填土、淤泥、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏性土、全-強(qiáng)風(fēng)化巖。

車站站址范圍內(nèi)存在新建不久的現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱涵，如果采用傳統(tǒng)的明挖施工方案，不可避免地要進(jìn)行箱涵改遷，將大大增加工程費(fèi)用，而且對(duì)城市環(huán)境、居民生活及出行影響巨大，造成惡劣的社會(huì)影響。因此工程采用車站兩端頭明挖順作法，中間部分暗挖頂管法的施工方案。

2 三維數(shù)值分析模型

2.1 數(shù)值模型

由于地鐵車站斷面尺寸較大（長(zhǎng)22.6 m、高13.6 m），采用全斷面單洞頂進(jìn)存在設(shè)備造價(jià)高、開挖面穩(wěn)定性不易控制等問題，因此有必要研究不同的分洞頂進(jìn)方式對(duì)開挖面穩(wěn)定控制的影響規(guī)律，從而確定合理的分洞及工序。本文共研究了3 種不同的分洞方式，如圖1所示，紅色實(shí)線表示全斷面一次頂進(jìn)施工，紫色虛線表示分為左右兩個(gè)半斷面頂進(jìn)施工，綠色點(diǎn)線表示分為上下半斷面頂進(jìn)施工。

圖1 分洞方式Fig.1 The Ways of Section Splitting

采用PLAXIS 3D有限元軟件建立矩形頂管施工開挖面穩(wěn)定分析模型。如圖2 所示，模型的長(zhǎng)度（X軸）、寬度（Y軸）、高度（Z軸）分別為60 m、60 m、35 m。開挖面尺寸為22.6 m（長(zhǎng)）×13.6 m（高），覆土厚度為7 m。模型邊界條件設(shè)定如下：頂面為自由邊界，4個(gè)側(cè)面的約束為法向固定，底面為固定邊界，同時(shí)不考慮滲流影響。為保證計(jì)算精度，掌子面及周圍地層進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，對(duì)于全斷面單次頂進(jìn)模型，網(wǎng)格單元總數(shù)為61 775，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為90 230；其它工況單元和節(jié)點(diǎn)總數(shù)略有不同。

圖2 全斷面頂進(jìn)數(shù)值模型Fig.2 Numerical Model for Full-section Jacking （m）

2.2 土體本構(gòu)模型及參數(shù)

2.3 分析工況

對(duì)于左右兩個(gè)半斷面頂進(jìn)施工和上下兩個(gè)半斷面頂進(jìn)施工面臨著施工順序的選擇問題，尤其是分上下兩個(gè)半斷面施工，“先上后下”或“先下后上”的施工順序其開挖面穩(wěn)定性不同，因此需要分別進(jìn)行分析，而“先左后右”和“先右后左”并沒有實(shí)質(zhì)的區(qū)別，因此只分析其中一種情況即可。

如圖3所示，共分析了全斷面施工、“先左后右”半斷面施工，“先上后下”半斷面施工和“先下后上”半斷面施工共4 種不同的方案。在圖3 中，“紅色”線框表示已頂進(jìn)斷面，“黑色”線框表示現(xiàn)頂進(jìn)斷面，對(duì)于不同的施工方案，頂管掌子面將存在7種不同的工況，如表1所示。

表1 掌子面工況Tab.1 Conditions of Excavation Face

圖3 施工方案Fig.3 Construction Schemes （m）

2.4 施工過程模擬

頂管機(jī)施工是動(dòng)態(tài)頂進(jìn)的過程，本文研究聚焦于不同分洞方式和施工順序?qū)﹂_挖面穩(wěn)定性的影響，因此忽略頂進(jìn)的過程，而采用如下步驟進(jìn)行模擬分析：①建立地層模型，采用“K0”過程生成初始應(yīng)力場(chǎng)；②一次性頂進(jìn)長(zhǎng)度20 m（“冷卻”土體單元），“激活”開挖面上與原始地層側(cè)向土應(yīng)力相等的支護(hù)應(yīng)力；③支護(hù)應(yīng)力逐步減?。ɑ蛟黾樱?，開挖面前方土體位移增大，直至支護(hù)應(yīng)力變化很小而土體水平位移量急劇增加時(shí)，認(rèn)為開挖面已發(fā)生主動(dòng)（或被動(dòng)）破壞，計(jì)算終止［10］。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 掌子面失穩(wěn)破壞判定

首先以全斷面施工（即GK-1）掌子面主動(dòng)破壞為例，說明掌子面失穩(wěn)破壞的判定方法。如圖4 所示，X軸為支護(hù)應(yīng)力比P/P0，其中P為支護(hù)應(yīng)力，P0為初始支護(hù)應(yīng)力，Y軸為開挖面最大水平位移。隨著P/P0逐漸減小，水平位移增大，當(dāng)P/P0靠近臨界值時(shí)，水平位移變化劇烈。為找到“失穩(wěn)點(diǎn)”，在圖4中給出了P/P0=0.52、0.47、0.44、0.41 四個(gè)時(shí)刻的開挖面塑性點(diǎn)分布圖，可以發(fā)現(xiàn)隨著P/P0減小，塑性點(diǎn)逐漸由開挖面邊部發(fā)展至中部，當(dāng)塑性點(diǎn)布滿開挖面前方區(qū)域（P/P0=0.44），應(yīng)力-位移曲線的斜率也出現(xiàn)較為明顯的變化，此點(diǎn)可定義為掌子面的主動(dòng)失效點(diǎn)。

圖4 GK-1主動(dòng)破壞的判定Fig.4 Determination of the Active Failure Point of GK-1

3.2 極限支護(hù)應(yīng)力

圖5 給出了7 個(gè)工況的開挖面主、被動(dòng)失穩(wěn)過程的應(yīng)力-位移曲線。在圖5?中，不同工況下的主動(dòng)破壞應(yīng)力-位移曲線變化趨勢(shì)相似，按照上節(jié)介紹的塑性區(qū)是否貫通的方法，可確定出GK-1 的主動(dòng)失效應(yīng)力比P/P0最大，約為0.44，GK-5 的主動(dòng)失效應(yīng)力比P/P0最小，約為0.05，其余5 個(gè)工況的主動(dòng)失效應(yīng)力比P/P0相近，位于0.2～0.3 區(qū)間。根據(jù)圖5?，可確定出GK-1的被動(dòng)失效應(yīng)力比P/P0最小，約為2.35，GK-5的被動(dòng)失效應(yīng)力比P/P0最大，約為4.25，其余5個(gè)工況的被動(dòng)失效應(yīng)力比P/P0相近，位于2.75～3.0區(qū)間。

圖5 不同工況下的主動(dòng)、被動(dòng)破壞過程Fig.5 Active and Passive Failure Process under Different Cases

表2 列出了7 個(gè)工況的主、被動(dòng)失效應(yīng)力比，可以發(fā)現(xiàn)，采用圖3?的“先左后右”半斷面施工施工方式，GK-2（左）與GK-3（右）的開挖面支護(hù)應(yīng)力可控范圍相近，分別為0.28P0～2.83P0、0.26P0～2.93P0。采用圖3?的“先上后下”半斷面施工方式，GK-4（上）與GK-5（下）的可控范圍分別為0.24P0～2.95P0、0.05P0～4.25P0。采用圖3?的“先下后上”半斷面施工方式，GK-7（上）與GK-6（下）的可控范圍分別為0.24P0～2.76P0，0.28P0～3.07P0。對(duì)于GK-1，其頂進(jìn)斷面最大，維持開挖面穩(wěn)定的能力最弱，支護(hù)應(yīng)力可控范圍最窄；對(duì)于GK-5，由于上半斷面結(jié)構(gòu)已頂進(jìn)，限制了下半斷面的土體位移以及塑性點(diǎn)的發(fā)展，上部結(jié)構(gòu)起到了“遮簾”效應(yīng)，減少了受擾動(dòng)的地層區(qū)域，因此下半斷面開挖面的支護(hù)應(yīng)力可控范圍最廣；對(duì)于其余5個(gè)工況，半斷面掘進(jìn)相對(duì)獨(dú)立，因此支護(hù)應(yīng)力可控范圍相近。

表2 失效應(yīng)力比P/P0Tab.2 Failure Stress Ratios P/P0

在實(shí)際工程中，需因地制宜采取合適的施工方式。在地質(zhì)條件優(yōu)良、埋深適中、開挖面尺寸中等的情況下，可選用全斷面施工方式，以節(jié)約成本與工期。但在地質(zhì)軟硬分布不均、埋深較淺、開挖面尺寸較大時(shí)，宜采用左右分洞的施工方式。而對(duì)于富水軟弱地層且開挖面尺寸較大時(shí)，可考慮“先上后下”的分洞施工方式。由于沙三站場(chǎng)地不均勻，車站斷面尺寸大且埋深較淺，因此可采取左右分洞的施工方式。

4 結(jié)論

本文以深圳某地鐵站頂管工程為背景，采用三維有限元方法研究了全斷面施工、“先左后右”半斷面施工，“先上后下”半斷面施工和“先下后上”半斷面施工共四種不同施工方案下的7種不同工況的掌子面穩(wěn)定性問題，得到以下主要結(jié)論：

⑴在7種工況中，全斷面頂進(jìn)維持開挖面穩(wěn)定的能力最弱，支護(hù)應(yīng)力可控范圍最窄，為0.44P0～2.35P0；

⑵采取“先上后下”半斷面頂進(jìn)的施工方式，上半斷面已頂進(jìn)結(jié)構(gòu)起到“遮簾”效應(yīng)，限制了下半斷面破壞時(shí)的土體位移以及塑性區(qū)的發(fā)展，下半斷面支護(hù)應(yīng)力可控范圍增大，為0.05P0～4.25P0；

⑶大斷面頂進(jìn)施工開挖面發(fā)生破壞時(shí)，易引起開挖面最大位移點(diǎn)的偏離，因此施工過程中需優(yōu)化控制開挖面支護(hù)應(yīng)力，防止局部位移“突變”；

⑷對(duì)于大斷面頂進(jìn)施工，應(yīng)綜合考慮地質(zhì)條件、斷面尺寸和埋深等確定分洞方式及施工順序。